Teknologi osmosis songsang (RO). digunakan secara meluas dalam rawatan air kerana kelebihannya, seperti kadar penyahgaraman yang stabil, jejak kecil, automasi, dan kebolehskalaan. Walau bagaimanapun, penskalaan adalah isu yang menyusahkan kakitangan rawatan air semasa operasi membran. Penskalaan boleh menyebabkan penurunan dalam fluks membran, peningkatan penggunaan tenaga, kadar penyahgaraman yang lebih rendah dan jangka hayat membran yang berkurangan, yang meningkatkan kos operasi. Oleh itu, langkah-langkah mesti diambil untuk mencegah penskalaan membran. Kaedah perencatan penskalaan biasa termasuk dua pendekatan utama: melaraskan pH air suapan RO dan menambah perencat skala pada air suapan. Kedua-dua kaedah juga boleh digunakan bersama. Artikel ini membincangkan mekanisme perencatan skala dan menyediakan kaedah untuk memilih kaedah perencatan dan mengira dos yang diperlukan.
1. Mekanisme Perencat Skala
Penskalaan membran merujuk kepada pemendakan bahan yang kurang larut, seperti CaCO3, CaSO4, BaSO4, dan Ca3(PO4)2, pada permukaan membran. Apabila bahan-bahan ini menjadi tertumpu dalam sistem RO, mereka boleh mencapai supersaturasi. Sebagai contoh, pada pH=7.5 dan suhu air 25°C, apabila kekerasan kalsium (diukur sebagai CaCO3) ialah 200 mg/L dan jumlah kealkalian (diukur sebagai CaCO3) ialah 150 mg/L, CaCO3 akan menghampiri supersaturasi. Begitu juga, pada pH=7.5 dan suhu air 25°C, apabila kepekatan ion barium hanya 0.01 mg/L dan ion sulfat ialah 4.5 mg/L, BaSO4 akan menjadi supertepu dan mendakan.
Mekanisme perencatan penskalaan perencat skala osmosis terbalik terutamanya melibatkan kompleksasi, serakan, herotan kekisi, dan kesan ambang.
Pengkompleksan dan pelarutan: Inhibitor skala boleh membentuk kompleks larut dengan kation penskala dalam air, seperti kalsium, magnesium, dan ion barium, menghalang pembentukan CaCO3, CaSO4, BaSO4, dan Ca3(PO4)2.
Pembekuan dan penyebaran: Anion yang dikeluarkan oleh perencat skala melekat pada kristal CaCO3. Oleh kerana bahan cemar dalam air sisa industri lazimnya membawa cas negatif, seperti cas menolak antara satu sama lain, mewujudkan tolakan elektrostatik yang menghalang kristal CaCO3 daripada terkumpul dan berkembang menjadi zarah yang lebih besar. Hablur tersebar secara seragam dalam larutan, dengan itu menghalang pembentukan skala CaCO3.
Herotan kekisi: Semasa pengagregatan dan pertumbuhan mikrokristal CaCO3, perencat skala dimasukkan ke dalam kekisi kristal atau pada antara muka kristal, menyebabkan herotan kekisi. Ini secara langsung menghalang atau mengganggu pertumbuhan kristal. Sebagai contoh, CaCO3 dibentuk oleh ion kalsium bercas positif dan ion bikarbonat bercas negatif, yang tumbuh dalam arah tertentu. Semasa perkembangannya, perencat skala dimasukkan ke dalam kekisi, meningkatkan tekanan dalaman dalam kristal. Apabila tekanan mencapai ambang tertentu, kristal akan pecah, menghalang pembentukan kristal.
Kesan ambang: Perencat skala mengganggu proses pengagregatan dan susunan mikrohablur CaCO3, CaSO4, BaSO4, Ca3(PO4)2, dengan itu menghalang pemendakan.
2. Pemilihan Kaedah Perencatan Skala
Penunjuk utama yang digunakan untuk menilai risiko penskalaan dalam sistem osmosis songsang (RO) ialah Indeks Tepu Langelier (LSI). Apabila LSI < 0, air tidak mempunyai kecenderungan untuk bersisik (walaupun ia mungkin sedikit menghakis). Apabila LSI ≥ 0, air cenderung untuk bersisik. Kaedah pelarasan pH menghalang penskalaan dengan menurunkan pH air suapan, dengan itu mengalihkan LSI daripada lebih besar daripada 0 kepada kurang daripada 0. Menambah perencat skala boleh menghalang penskalaan walaupun apabila LSI ≥ 0, kerana mikrokristal tidak larut dalam air tidak boleh tumbuh, beragregat, atau mendakan. Mekanisme utama untuk perencatan ini adalah empat yang diterangkan di atas. Pada masa ini, produk perencat skala domestik boleh memastikan bahawa bahan tidak larut tidak memendakan walaupun LSI = 3. Perencat jenama terkemuka antarabangsa boleh menjamin tiada kerpasan pada LSI = 5. Walau bagaimanapun, adalah penting untuk berhati-hati semasa membeli perencat, kerana sesetengah vendor domestik mengimport perencat jenama antarabangsa tertumpu dan cairkannya dengan sejumlah besar air, yang membawa kepada percanggahan ketara dalam prestasi perencatan penskalaan sebenar, walaupun produk itu dilabel sebagai LSI = 5.
1. Kaedah Pelarasan pH
Untuk memastikan pengeluaran air resapan yang layak, pH air suapan RO biasanya dikawal antara 6 dan 9, dengan sesetengah syarikat melaksanakan kawalan yang lebih halus dalam julat yang lebih sempit, seperti 7.0 hingga 8.5. Tahap pH yang sangat rendah atau tinggi dalam air suapan boleh menghalang penyerapan RO daripada memenuhi piawaian kualiti air yang diperlukan. Oleh itu, kaedah pelarasan pH untuk perencatan penskalaan mengandaikan bahawa pH meresap RO akan berada dalam julat yang dikehendaki. Adalah penting untuk ambil perhatian bahawa kaedah pelarasan pH menyasarkan terutamanya penskalaan CaCO3 dan tidak berkesan terhadap jenis bahan penskala yang lain.
2. Kaedah Penambahan Skala Inhibitor
Seperti yang dinyatakan sebelum ini, menambah perencat skala boleh membenarkan membran RO untuk bertolak ansur dengan nilai LSI yang lebih tinggi. Walau bagaimanapun, perencat skala RO cenderung mahal, dengan produk domestik antara 0.008 hingga 0.012 RMB/g dan produk tertumpu jenama terkemuka antarabangsa berharga antara 0.055 dan 0.075 RMB/g, mengakibatkan kos operasi yang tinggi.
Selain itu, terdapat banyak jenis perencat skala di pasaran, dan sesetengah pengeluar sentiasa mempromosikan konsep baharu yang belum terbukti, yang membawa kepada kekeliruan apabila memilih perencat skala. Secara amnya, perencat skala komersial matang boleh dikelaskan kepada tiga kategori: perencat skala berasaskan fosforus, perencat skala berasaskan polimer dan perencat skala mesra alam.
-
Inhibitor Skala berasaskan fosforus: Ini termasuk perencat fosfat bukan organik (seperti natrium tripolifosfat atau natrium heksametafosfat) dan perencat fosfonat organik (seperti asid hidroksietilidena difosfonik, asid amino-trimetilenafosfonik dan derivatif asid fosfonik). Perencat fosfat bukan organik mengandungi anion rantai panjang dan terdedah kepada hidrolisis, terutamanya pada suhu yang lebih tinggi. Apabila dihidrolisis, ia membentuk garam asid fosforik, yang boleh bertindak balas dengan ion kalsium untuk membentuk Ca3(PO4)2, skala dengan produk keterlarutan yang lebih rendah daripada CaCO3. Oleh itu, perencat fosfat bukan organik tidak sesuai untuk air dengan suhu tinggi atau kepekatan ion kalsium yang tinggi.
-
Perencat Skala Fosfonat Organik: Inhibitor ini mengandungi fosfonat organik, biasanya dicirikan oleh ikatan C-O-P. Apabila terdedah kepada suhu tinggi dan persekitaran beralkali, fosfonat organik boleh terhidrolisis menjadi ester fosforik dan alkohol, dengan ketara mengurangkan kecekapan perencatan penskalaan. Akibatnya, fosfonat organik tidak sesuai digunakan dalam air dengan suhu tinggi atau nilai pH tinggi.
Perencat skala berasaskan polimer terbahagi terutamanya kepada perencat polimer anionik dan kationik. Yang pertama digunakan terutamanya untuk mencegah penskalaan ion logam, manakala yang kedua digunakan terutamanya untuk menghalang penskalaan silika. Bahan utama dalam perencat berasaskan polimer ialah asid akrilik dan asid maleik, dan semasa perumusan, pelbagai kumpulan berfungsi diperkenalkan ke dalam molekul. Akibatnya, perencat skala polimer datang dalam pelbagai formulasi. Apabila menggunakan perencat ini, adalah penting untuk mempertimbangkan bukan sahaja keadaan kualiti air tetapi juga jenis skala yang ada. Sebagai contoh, perencat polimer dengan kumpulan karboksil menyasarkan penskalaan kalsium terutamanya, perencat polimer berasaskan asid sulfonik digunakan terutamanya untuk penskalaan oksida logam, dan perencat polimer berasaskan amina berkesan untuk penskalaan silika. Oleh itu, perencat skala polimer bukanlah agen spektrum luas; ia direka untuk menangani kelemahan perencat spektrum luas. Selain itu, oleh kerana komponen utama perencat berasaskan polimer ialah polimer, ia mudah terdedah kepada pengoksidaan oleh klorin dan biosid oksidatif lain, yang boleh menyebabkan ia tidak berkesan. Oleh itu, sebelum menambah perencat ini, adalah perlu terlebih dahulu meneutralkan sebarang sisa klorin dalam air dengan menambah agen pengurangan.
Inhibitor skala alam sekitar biasanya mengandungi bahan aktif seperti asid polyaspartic, asid polyepoxysuccinic, dan derivatifnya. Inhibitor ini digunakan terutamanya untuk menangani skala berasaskan kalsium seperti CaCO3, CaSO4, dan CaF2. Kelebihan perencat ini ialah ia boleh bertolak ansur dengan kepekatan ion kalsium yang agak tinggi. Sebagai contoh, walaupun kepekatan ion kalsium mencapai 500 mg/L, mereka masih boleh mencapai lebih 80% perencatan penskalaan kalsium. Walau bagaimanapun, perencat ini memerlukan dos yang lebih tinggi, menyebabkan perubahan ketara pada pH air dan kurang berkesan pada suhu di bawah 40°C. Memandangkan suhu air suapan maksimum yang dibenarkan untuk membran osmosis songsang ialah 35-40°C, perencat ini secara amnya tidak sesuai digunakan dalam sistem osmosis songsang tetapi lebih biasa digunakan dalam sistem air penyejuk.
3. Pengiraan Dos
Seperti yang dinyatakan sebelum ini, sama ada air terdedah kepada kerak bergantung pada nilai Indeks Ketepuan Langelier (LSI). Oleh itu, sama ada menggunakan dos asid untuk melaraskan pH atau menambah perencat skala untuk mengelakkan penskalaan membran osmosis songsang, intipatinya mengawal LSI air. Pengiraan LSI adalah seperti berikut:
Dalam formula:
- pH ialah nilai pH yang diukur bagi pekat osmosis songsang.
- pH_s ialah nilai pH tepu yang sepadan dengan sistem karbonat dalam air pada suhu air sebenar, yang dikenali sebagai pH tepu.
The pH daripada pekatan osmosis songsang boleh didapati dengan mudah melalui instrumen dalam talian atau pengukuran manual. Oleh itu, kunci untuk mengira LSI adalah menentukan pH_s . Menurut Kaedah Standard untuk Pemeriksaan Air dan Air Kumbahan , pH_s boleh dikira menggunakan formula berikut.
Dalam formula:
- A ialah jumlah pekali pepejal terlarut (TDS).
- B ialah pekali suhu air.
- C ialah pekali kekerasan kalsium.
- D ialah jumlah pekali kealkalian.
Kaedah pengiraan untuk A , B , C , dan D adalah seperti berikut.
- TDS ialah jumlah kandungan pepejal terlarut dalam pekat osmosis songsang, dalam mg/L.
- t ialah suhu pekat osmosis songsang, dalam °C.
- Cca ialah kekerasan kalsium bagi pekat osmosis songsang, dinyatakan sebagai CaCO3, dalam mg/L.
- C_jumlah kealkalian ialah jumlah kealkalian bagi pekat osmosis songsang, dinyatakan sebagai CaCO3, dalam mg/L.
Menggunakan contoh yang dinyatakan tadi, di mana pH = 7.5 , TDS = 2000 mg/L , suhu t = 25°C , kekerasan kalsium Cca = 200 mg/L , dan jumlah kealkalian C_jumlah kealkalian = 150 mg/L , proses pengiraan LSI adalah seperti berikut:
Ini sejajar dengan pernyataan sebelumnya, di mana di bawah keadaan ini, CaCO3 hampir tepu. Tambahan pula, kita boleh perhatikan bahawa pengiraan dos boleh dinyatakan dengan tiga formula berikut.
Kaedah permohonan khusus adalah seperti berikut:
Pertama, kita mengukur TDS, suhu t , kekerasan kalsium Cca , dan kealkalian total C_jumlah kealkalian daripada pekat osmosis songsang. Kemudian, menggunakan formula, kita mengira pH_s .
- Jika pH_s ≥ pH , tiada pelarasan lanjut atau perencat skala diperlukan untuk mengelakkan penskalaan kalsium.
- Jika pH_s < pH , kami memastikan bahawa selepas melaraskan pH, pH air suapan osmosis songsang tidak turun di bawah 6.5 (kerana pH yang lebih rendah boleh mengakibatkan air produk osmosis songsang berasid). Dalam kes ini, kita boleh melaraskan pH dengan menambah asid sehingga pH_s ≥ pH . Ini hanya terpakai apabila pH_s ≥ 6.5 . Jika pH_s < 6.5 , kita perlu menyesuaikan pH dengan asid sehingga mencapai 6.5 atau lebih rendah, yang akan menyebabkan air produk osmosis songsang menjadi berasid.
- Jika pH_s < 6.5 , perencat skala mesti ditambah.
Adalah penting untuk ambil perhatian bahawa, seperti yang dinyatakan sebelum ini, dos asid untuk pelarasan pH terutamanya sasaran CaCO3 penskalaan dan tidak berkesan untuk jenis penskalaan lain. Untuk bahan penskala lain, perencat skala diperlukan untuk kawalan.
Untuk dos asid melaraskan pH, dos boleh dikawal melalui pH yang diukur sebenar. Bagi dos perencat skala, penyelidikan meluas oleh sarjana tempatan dan antarabangsa telah menunjukkan bahawa:
- Apabila dos perencat skala berada di bawah 2.5 g/m³ , kecekapan perencatan adalah agak rendah.
- Apabila dos melebihi 3.0 g/m³ , kecekapan perencatan tidak lagi bertambah baik dengan ketara.
Oleh itu, dos optimum perencat skala adalah antara 2.5-3.0 g/m³ , seperti yang ditunjukkan dalam carta berikut.
Ringkasnya, apabila menghalang penskalaan membran osmosis songsang, kita harus terlebih dahulu mengira LSI bagi pekat osmosis songsang menggunakan formula yang disediakan dalam artikel ini untuk menilai sama ada penskalaan mungkin berlaku. Kedua, kita perlu menganalisis bahan penskala utama dalam resapan, yang boleh ditentukan dengan penunjuk ujian seperti Ca²⁺, Mg²⁺, HCO₃⁻, Ba²⁺, SiO₂, dll. Analisis ini membolehkan kami membuat keputusan yang disasarkan sama ada untuk laraskan pH dengan asid atau untuk menambah perencat skala. Jika perencat skala diperlukan, kita harus menentukan jenis dan dos perencat yang sesuai untuk digunakan.
